Vad är det som gör skillnad? ‑ vad undervisningen måste göra

22
forskning om undervisning och lärande nr 15
Vikström
Vad är det som gör skillnad?
‑ vad undervisningen måste
göra synligt och vad eleverna
måste lära sig för att förstå
begreppet materia
A Vikström
Sammanfattning
Materiabegreppet, särskilt dess partikelnatur, är ett nyckelbegrepp i naturvetenskaplig undervisning och av central betydelse för att förstå många naturvetenskapliga
fenomen. Inom ramen för tre Learning studies inom tre olika naturvetenskapliga
områden utforskades begreppet i syfte att finna ut vad eleverna måste lära sig för att
förstå ett fenomen på ett specifikt sätt. Med variationsteori som guidande princip
planerades och genomfördes lektioner som videofilmades. Elevernas lärande analyserades med hjälp av för- och eftertest. Detta gjorde det möjligt att studera relationen
mellan undervisning och lärande och att finna ut vad som gjorde skillnad. Resultatet
visade på ett antal kritiska aspekter för begreppet materia som när de lyftes fram i
undervisningen hjälpte eleverna att beskriva och förklara ett naturvetenskapligt fenomen på ett nytt sätt.
Nyckelord: materiabegreppet, naturvetenskaplig undervisning, Learning study, variationsteori.
Anna Vikström är universitetslektor i lärande med inriktning mot
naturvetenskap vid Luleå tekniska universitet. Hon är verksam som
utbildningsledare och lärare på lärarutbildningen och arbetar med
praktiknära forskning med fokus på naturvetenskaplig undervisning
och lärande. .
Anna Vikström
forskning om undervisning och lärande nr 15
Vikström
Introduktion
Med variationsteori som teoretiskt ramverk genomförde en forskargrupp bestående
av sex lärare och en ämnesdidaktisk forskare tre Learning studies (Lo, 2014) inom tre
olika naturvetenskapliga ämnesområden; ”Atomer och molekyler”, ”Fotosyntes” och
”Kemiska lösningar”. Ämnesinnehållet i alla tre studierna hade en sak gemensamt;
en förståelse för materiens partikelnatur var en förutsättning för att eleverna skulle
förstå de naturvetenskapliga fenomenen på det sätt som eftersträvades.
Elevers uppfattningar av begreppet materia har under decennier varit föremål för
mängder med studier och är förmodligen det mest studerade begreppet inom natur‑
vetenskaplig ämnesdidaktisk forskning (Talanquer, 2009). Svårigheter med att förstå
begreppet kan i sin tur vara en orsak till många elevers problem med att förklara
fenomen observerbara på makronivån med naturvetenskapliga termer och begrepp
på molekynivån (Tsaparlis & Sevian, 2013). Det som forskning bland annat har visat
är att elevers uppfattningar av materia kan beskrivas på olika nivåer av förståelse,
där den lägsta nivån innebär att materian inte beskrivs som bestående av partiklar
med tomrum emellan, utan uppfattas som kontinuerlig och statisk. På nivå 2, när
en partikelmodell införts, kan detta uppfattas som att partiklarna på något sätt är
inbäddade i materian och att ämnet i fråga finns mellan partiklarna, exempelvis att
mellan vattenmolekyler finns vatten. På nästa nivå beskrivs materia som något som
byggs upp av ”minsta odelbara enhet” där partiklarna har samma egenskaper som
ämnet på makronivån. Nivå 4 innebär att eleven har förmågan att använda en diffe‑
rentierad atommodell (dvs att atomen i sin tur består av partiklar), och eleven har då
möjlighet att skilja mellan atomer och molekyler och olika typer av kemisk bindning.
På den högsta nivån, kan eleven beskriva och förklara interaktionen mellan partik‑
lar i komplexa system. Forskningen på området har under det sista decenniet flyttat
fokus från att kategorisera elevers olika sätt att förstå begreppet till att analysera
progressionen i elevers förståelse. Mönstret i denna progression kan med avseende på
hur materian är uppbyggd beskrivas som att eleverna utvecklar sin förståelse från en
makroskopisk nivå, via en begynnande medvetenhet om partiklarnas existens, till en
mer sub-mikroskopisk nivå. Parallellt och sammanflätat med detta utvecklas förstå‑
elsen för materians bevarande vid kemiska och fysikaliska förändringar från en nivå
där materiens partikelnatur inte alls beaktas till en nivå där detta utgör den centrala
förklaringsmodellen (Hadenfeldt, Liu & Neumann, 2014).
Problemformulering
I en Learning study studerar lärare tillsammans vad det innebär för elever att lära
sig en svår sak och hur man på bästa sätt kan undervisa så att de lär sig det. De erfa‑
renheter av naturvetenskaplig undervisning som lärarna inom forskargruppen hade,
visade att begreppet materia var problematiskt men centralt för elevers förståelse av
naturvetenskapliga fenomen och processer. Därför föll det sig naturligt att i den för‑
sta Learning studyn välja innehållet ”Atomer och molekyler”. Materiabegreppet som
sådant var inte i fokus i Learning study nummer två, ”Fotosyntesen”, men de erfaren‑
heter som gjordes då medförde att det blev än mer uppbenbart hur problematiskt
23
24
forskning om undervisning och lärande nr 15
Vikström
begreppet var för eleverna. Därför valdes ämnesinnehållet ”Kemiska lösningar” i den
tredje studien där särskilt intresse riktades mot eleverna förståelse för materians par‑
tikulära natur och hur denna kunde utvecklas för att utveckla förståelsen för begrep‑
pet lösning. De sammanfattande erfarenheterna från de tre Learning studies som
genomförts ledde så fram till den retrospektiva forskningsfrågan:
Vilka kritiska aspekter gällande materians partikelnatur behöver eleverna urskilja för
att bättre beskriva och förklara naturvetenskapliga fenomen och hur kan detta göras
möjligt i undervisningen?
.
Metod och teoretiskt ramverk
Learning study och variationsteori
I en Learning study studerar lärare tillsammans vad det innebär för elever att förstå
något på ett särskilt sätt och hur undervisning kan utformas för att utveckla förstå‑
elsen. Processen är cyklisk och inleds med att forskargruppen definierar ett lärande‑
objekt, målet för lektionen, och konstruerar ett förtest för att kartlägga elevernas för‑
förståelse. Med utgångspunkt i resultatet av förtestet planeras därefter gemensamt
en lektion som genomförs av en av lärarna i en elevgrupp och videofilmas. När ett
eftertest genomförts i den gruppen blir det möjligt att jämföra testresultatet i relation
till det som visar sig på den filmade lektionen. Man ställer sig då frågor om vad under‑
visningen möjliggjort för eleverna att lära sig, frågor som kan belysa varför eleverna
uppfattat vissa aspekter av innehållet men inte andra. Lektionsplanen kan sedan om‑
arbetas med avseende på det man funnit vara kritiskt och den reviderade lektionen
genomförs i en ny elevgrupp med en ny lärare och sambandet undervisning-lärande
analyseras på nytt osv. Processen beskrivs i figur 1 nedan.
Figur 1. Stegen i en learning study
forskning om undervisning och lärande nr 15
Vikström
Genom hela processen utgör variationsteorin (Lo, 2014; Marton, 2014) en guidande
princip. Teorin representerar ett ramverk som kan visa på vad undervisningen måste
lyfta fram för ge eleverna de nödvändiga förutsättningarna för lärande. Teorin tar sin
utgångspunkt i lärandets objekt, den förmåga eleverna ska utveckla, i detta fall att
förstå begreppet materia på ett specifikt sätt. För att förstå lärandeobjektet krävs att
eleverna får möjlighet att urskilja ett antal kritiska aspekter. Ett lärande har då skett
när en elev efter undervisning urskiljer nya aspekter av ett lärandeobjekt.
Lärandeobjektets kritiska aspekter
Genom att definiera ett lärandeobjekt och försöka få svar på frågan ”Vad innebär
det att förstå detta, vad är det man kan då man ”kan”?”, problematiseras det avsedda
lärandeobjektets kritiska aspekter, det vill säga de aspekter som eleverna måste få
möjlighet att urskilja för att åstadkomma den förståelse som eftersträvas. Genom
Learning studyns för- och eftertest erhålls sedan kunskaper om det erfarna läran‑
deobjektet, det vill säga vilka olika sätt att erfara ett fenomen som kan identifieras i
den aktuella elevgruppen (Marton & Booth, 1997, Vikström, A. 2005). Vad som utgör
kritiska aspekter för ett visst lärandeobjekt är alltid en empirisk fråga, ett svar måste
alltså sökas i den elevgrupp det handlar om, dvs i lärarens egen praktik. Undervis‑
ningen måste därefter utformas så att just de aspekter som är kritiska för just denna
elevgrupp synliggörs. Synliggörandet förutsätter i sin tur någon form av variation, då
kritiska aspekter, enligt variationsteorin, bara blir möjliga att urskilja genom någon
form av kontrast. Den enkla principen är att för att det ska vara möjligt att få syn
på något så måste detta något varieras mot en invariant bakgrund. Kritiska aspek‑
ter måste därför på något sätt avvika, bildligt talat som en röd punkt mot en helvit
bakgrund. Kontraster kan skapas genom att inte enbart visa vad något är, utan också
genom att kontrastera detta något mot något annat som det inte är, vilket i sin tur
innebär att olika begrepp måste behandlas samtidigt i stället för var för sig (Marton
& Tsui, 2004). Traditionellt ger lärare ofta många exempel på samma sak i syfte att
åstadkomma en generell förståelse för ett begrepp. Vad variationsteorin säger är hur
viktigt det är att påvisa skillnader, nya innebörder uppstår genom erfarenhet av skill‑
nader mot en bakgrund av likheter, snarare än erfarenhet av likhet mot en bakgrund
av olikheter (Pang & Marton, 2013). För att möjliggöra lärande måste alltså kritiska
aspekter för lärandeobjektet identifieras i relation till den aktuella elevgruppen och
specifika variationsmönster som lyfter fram dessa aspekter måste i sin tur manifeste‑
ras i undervisningen (Marton, 2014).
Ämnesdidaktisk forskning kan bidra med generell kunskap om vad som kan vara
problematiskt i relation till ett visst lärandeobjekt. För begreppet materia skulle detta
till exempel kunna vara att urskilja att atomer finns överallt runt omkring oss, och
att materian består av olika slags partiklar (atomer, molekyler, joner) med tomrum
emellan som befinner sig i ständig rörelse. För att lyfta fram kritiska aspekter för
begreppet materia så kan kontraster exempelvis åstadkommas genom att visa på var
atomer finns och var de inte finns, eller genom att jämföra begreppen atom-jon-mo‑
lekyl samtidigt i stället för ett i taget så att eleverna erbjuds att se skillnaderna såväl
25
26
forskning om undervisning och lärande nr 15
Vikström
som sambanden mellan begreppen.
I de tre Learning studies som gjordes användes variationsteorin i alla delar av pro‑
cessen. Fokus låg alltid på lärandets objekt och på vad eleverna måste få syn på för att
förstå innehållet på det sätt som avsågs. Processen bygger på tre typer av variation:
1.Variationen i elevernas sätt att förstå lärandeobjektet. Detta kategoriserades
med hjälp av för- och eftertest.
2.Variationen i sätten att behandla lärandeobjektet i undervisningen. Detta blev
möjligt att få syn på när de videofilmade lektionerna analyserades.
3.Variation som vägledande princip vid planering och genomförande av lektio‑
nerna, då kritiska aspekter identifierades och kontraster manifesterades som
gjorde det möjligt för eleverna att få syn på dem. (Lo, 2014)
I tabell 1 nedan redovisas översiktligt hur de olika delarna av en Learning study ana‑
lyserades kollektivt.
Tabell 1. Den gemensamma analysen av en Learning study.
Som nämndes inledningsvis genomfördes tre olika Learning studies om tre olika
ämnesinnehåll. Varje Learning study bestod av för- och eftertester, tre videofilmade
lektioner och fem möten i arbetslaget. Två möten före den första lektionen, ett möte
mellan lektionerna och ett avslutande möte efter lektion 3, varje möte varade cirka
3 timmar. Projektet pågick under tre terminer och dess design över tid visas i figur 2
nedan.
forskning om undervisning och lärande nr 15
Vikström
Figur 2. Projektets design.
Materiabegreppet i tre olika naturvetenskapliga sammanhang
Materiabegreppet var centralt i den första studien om ”Atomer och molekyler” där
lärandets objekt var att utveckla elevernas förståelse för materiens partikelnatur.
Resultatet av elevtesterna visade visserligen att elevernas förståelse utvecklats men
många problem kvarstod ännu. Än tydligare blev det i Learning study nummer två
att elevernas svårigheter med materiabegreppet påverkade deras lärande. I den stu‑
dien, ”Fotosyntesen”, utgjordes lärandets objekt av att utveckla elevernas förståelse
för hur luftens koldioxid kunde ge det huvudsakliga bidraget till en växande plantas
viktökning. Forskargruppen upptäckte att eleverna hade svårt att inse att en osynlig
gas, som de uppfattade som ”lätt”, kunde vara orsaken till att ett träd kunde växa upp
och väga flera hundra kilo. Det stod klart att elevernas bristande förståelse för mate‑
rians partikelnatur och omvandlingar var ett stort hinder för att uppnå den förståelse
som var målet och studien betraktades därför som mer eller mindre misslyckad.
Därför beslöts att återigen fokusera på materians partikelnatur och valet blev göra
detta i sammanhanget ”Kemiska lösningar” som ansågs vara ett område väl lämpat
för att bearbeta begreppet. Efter att ha genomfört Learning study 3 blev det sedan
möjligt att sammanfatta erfarenheterna av vad som visat sig göra skillnad för elever‑
nas lärande rörande begreppet materia; vilka aspekter som var kritiska och hur dessa
kunde synliggöras i undervisningen. I denna retrospektiva slutanalys fokuserades lä‑
randeobjektet materians partikelnatur och detta avgränsades till att eleverna skulle
förstå att sub-mikroskopiska partiklar bygger upp allt omkring oss, att energi, till ex‑
empel solljus och värme, inte består av materia och att materiella ting kan beskrivas
på olika organisationsnivåer och med såväl ett natur-vetenskapligt som ett vardagligt
språk. En mer detaljerad beskrivning av Learning study 3 har publicerats i Vikström,
Billström, Fazeli, Hansson, Hol, Jonsson & Rydström (2013) och delar av projektets
alla tre Learning studies även i Vikström (2014).
27
28
forskning om undervisning och lärande nr 15
Vikström
Resultat – -vad kan göra skillnad för elevernas lärande om materians partikelnatur?
Kritiska aspekter för undervisning om materians partikelnatur
Någon detaljerad beskrivning av de tre Learning studies som genomförts kommer
inte att redovisas här. I stället fokuserar resultatredovisningen den retrospektiva
forskningsfrågan och det som, genom analysen av lektionerna och delar av elevtester‑
na, ledde fram till nya kunskaper om undervisning om materiabegreppet och särskilt
dess partikelnatur. Resultatet visar att särskilda sätt att behandla ämnesinnehållet
gjorde skillnad för elevernas lärande och det blev möjligt att formulera vad eleverna
måste få syn på för att för att förstå begreppet materia på det sätt som eftersträvats.
De undervisningshandlingar och strategier som formades pekade mot det faktum att
vissa saker måste behandlas samtidigt och kontrasteras mot varandra. När erfaren‑
heterna sammanfattades i den avslutande analysen efter Learning study 3 blev slut‑
satsen att följande aspekter var kritiska för elevernas förståelse för begreppet materia:
1.Vikten av att möjliggöra för eleverna att urskilja att atomer bygger upp allt
materiellt runt omkring oss liksom vikten av att visa på sambandet mellan
den makroskopiska och sub-mikroskopiska (molekylära) nivån. Detta möjlig‑
gjordes genom att eleverna fick erfarenheter av att dela upp varierande ex‑
empel (luft, stekpanna, blomma, vatten) på olika organisationsnivåer ner till
atomnivån.
2.Vikten av möjliggöra för eleverna att urskilja var atomer inte finns (som i sol‑
sken eller värme). Detta möjliggjordes genom att behandla begreppen materia
och energi samtidigt och kontrastera dem mot varandra.
3.Vikten av att möjliggöra för eleverna att urskilja tomrummet mellan partiklar
(atomer, molekyler och joner) och sambandet mellan iakttagna observationer
(vid till exempel experiment) och de korresponderande förklaringarna med
kemins termer och begrepp. Detta möjliggjordes genom att läraren i dialogen
med eleverna behandlade den makroskopiska och molekylära nivån samti‑
digt.
4. Vikten av att möjliggöra för eleverna att urskilja att ett och samma fenomen
kan beskrivas på kvalitativt olika sätt genom att jämföra beskrivningen av ett
fenomen med ett vardagligt språk och beskrivningen av samma fenomen med
naturvetenskapens termer och begrepp.
Vad gjorde det möjligt att dra dessa slutsatser och hur påverkade detta elevernas lä‑
rande?
Var finns atomer, och var finns de inte?
Lärarnas traditionella sätt att undervisa om atomen brukade inledas, liksom de läro‑
medel de använde sig av, med en presentation av Bohrs atommodell. Det togs för givet
att eleverna förstod att atomer bygger upp allt vi ser omkring oss. Likaså var det för‑
forskning om undervisning och lärande nr 15
Vikström
givettaget att eleverna insåg att solljus och värme inte bestod av materia. Begreppet
materia och begreppet energi hade aldrig behandlats samtidigt, materia ingick i ke‑
mikursen i årskurs sju och energi huvudsakligen i fysikkursen i årskurs nio. Genom
att ta del av ämnesdidaktisk forskning (Andersson, 2008) och resultat från nationella
utvärderingen (Skolverket, 2004) fick gruppen en mer detaljerad kunskap om elevers
svårigheter med materiabegreppet, exempelvis att elever kan uppfatta materia som
statisk och kontinuerlig i motsats till naturvetenskapens atomistiska och dynamiska
syn. Den nationella utvärderingens resultat gav ytterligare anledning till att fundera
på om eleverna förstod att atomer i ständig rörelse bygger upp allt i vår värld, och
forskargruppen enades om att studera detta närmare i den första Learning studyn.
Learning study 1: organisationsnivåer, atomer och energi
Ett förtest konstruerades där eleverna bland en mängd exempel fick ringa in vilka
som var uppbyggda av atomer. Resultatet visade att många av eleverna inte förstod
att atomer kunde finnas i exempelvis en stol, medan många ansåg att atomer fanns i
solljus. Detta väckte förvåning bland lärarna och en lektion planerades med syftet att
öka elevernas förståelse för var atomer finns och inte finns. En övning genomfördes
där eleverna i grupper fick dela upp varierande, men välkända, föremål och ämnen
(stol, vatten, blomma, luft, öra, cykel etc) i mindre och mindre delar till dess att de
nått den atomära nivån. Uppgiften ställde till med problem för eleverna, en svårighet
var att inse vad som var samma organisationsnivå. En cykel kunde till exempel delas
upp i cykelns olika delar, styre, ringklocka, pedaler osv, men med stöd av läraren och
genom samarbetet i gruppen kunde i stället cykeln delas upp i de olika material den
bestod av (metall, plast etc) som sedan kunde delas upp i ämnen (järn, aluminium,
gummi) som avslutningsvis kunde delas upp ner till den molekylära och atomära ni‑
vån. Eleverna fick härigenom möjlighet att upptäcka att såväl vardagliga, biologiska,
tekniska, fasta, flytande som gasformiga ämnen och material alla bestod av atomer.
Sedan fick eleverna i uppgift att göra på samma sätt med exemplen solljus, lampsken
och värme. Eftertestet visade att elevernas lärande utvecklats, men fortfarande hade
flertalet elever (70%) problem med att peka ut var atomer fanns och inte fanns. När
lektionsplanen reviderades inför lektion 2 diskuterades betydelsen av att formulera
frågorna till eleverna på rätt sätt. Gruppen enades om att formulera frågeställningen
i elevuppgiften som ”Kan vi dela upp solljus på samma sätt som de första exemplen ni
fick?” i stället för att fråga ”Vad är solljus gjort av?” eftersom det senare antogs kunna
leda eleverna mot tanken på solljus som något materiellt. Inför lektion 3 beslöt man
att samla gruppernas redovisning av uppgiften om de materiella exemplen till vän‑
ster på whiteboardtavlan och redovisningen av exemplen på energiformer till höger.
Detta gjorde det möjligt att i en sammanfattande diskussion i slutet av lektion 3 ännu
tydligare kontrastera begreppen materia och energi mot varandra och visa på skillna‑
derna mellan dem; exemplen till vänster bestod av atomer och gick att väga på en våg
medan exemplen till höger inte bestod av atomer.
Elevtesterna visade att detta påverkade elevernas lärande positivt. Närmare 90 % av
eleverna som deltog i lektion 3 kunde i en testfråga ringa in de exempel som bestod
29
30
forskning om undervisning och lärande nr 15
Vikström
av atomer fullständigt korrekt, i förtestet kunde ingen av dessa elever detta. Detta
sätt att undervisa om begreppen materia och energi var nytt för lärarna och avslöjade
kritiska aspekter som tidigare förbisetts.
Tomrummet mellan partiklarna och sambandet mellan den makroskopiska
och sub-mikroskopiska nivån.
Vikten av att uppmärksamma sambandet mellan olika organisationsnivåer upptäck‑
tes alltså redan i Learning study 1. Elevernas svårigheter med materians partikelnatur
visade sig också i svaren på en av testfrågorna i den första studien: ”Förklara varför
1 dl vatten + 1 dl vatten blir 2 dl, medan 1 dl vatten + 1 dl salt bara blir 1,5 dl?”, en fråga
som bara någon enstaka elev lyckades besvara med användning av kemins termer
och begrepp. Forskning lärarna tog del av (Andersson, 2008) visade också att elever
kan ha svårt att inse att även ett ämne som vatten, som ter sig kontinuerligt framför
våra ögon, består av partiklar med tomrum emellan. Misslyckanden i Learning study
2, där gruppen genom egna erfarenheter, och genom att ta del av resultaten från na‑
tionella utvärderingen (Skolverket, 2004), uppmärksammade elevernas problem med
materia i gasform, ledde sedan vidare fram till beslutet att än tydligare fokusera på
just materians partikelnatur i Learning study 3.
När kapitlet ”Lösningar och blandningar” behandlats under föregående läsår hade
undervisningens fokus legat på själva upplösningsprocessen och vad som påverkade
den, såsom finfördelning, värme och omrörning. Detta var något som gruppen insåg
inte påverkade elevernas förståelse på den molekylära nivån. Ämnes¬didaktisk forsk‑
ning som gruppen tog del av gav ytterligare insikter om den betydelse materiabegrep‑
pet har för elevers förståelse av fenomenet lösning; elever fokuserar huvudsakligen
mekaniska processer, som till exempel omrörning och finfördelning, och ett vardag‑
ligt språk föredras när ett fenomen ska beskrivas då sub-mikroskopiska förklaringar
för observationer på makroskopisk nivå saknas (Abraham, Gryzybowski, Renner &
Marek, 1992; Calýk, Alipasa & Ebenezer, 2005). Under de första gruppdiskussionerna
i Learning study 3 om kemiska lösningar enades forskargruppen därför om att sätta
fokus på den sub-mikroskopiska nivån. Man kom överens om att genomföra ett antal
experiment med lösningar och blandningar och om hur viktigt det var att fokusera
partiklarna i såväl det ämne som löser sig som partiklarna i lösningsmedlet. För att
skapa variation bestämdes det att läraren, förutom att demonstrera hur fasta ämnen
löser sig i vätskor, också skulle visa exempel på vätskor som löser sig i vätskor och
gaser som löser sig i vätskor.
Den mest informativa av testuppgifterna i Learning study 3 löd: ”Förklara så detaljerat du kan vad en lösning är”. En majoritet av eleverna, 94%, beskrev i förtestet en lös‑
ning på en makroskopisk nivå och med ett vardagligt språk: ”En lösning är när du löser
upp någonting, salt till exempel, i vatten så att det inte syns längre”. I testet efter den
första lektionen i cykeln berörde bara två elever (av 21) partiklarna i både det som lös‑
te sig och i lösningsmedlet medan 14 av dem fortfarande svarade på en makroskopisk
nivå. Det stod alltså klart att lektionen inte lyckats lyfta fram materians partikelnatur
tillräckligt tydligt. Begreppet ”tomrum” mellan partiklar som ämnesdidaktisk forsk‑
forskning om undervisning och lärande nr 15
Vikström
ning pekat ut som kritiskt för att förstå materians natur hade lärarna i inledningen
av projektet mött med skepsis. ”Det är väl atomerna vi ska fokusera på, inte vad som
finns mellan dem?” uttryckte exempelvis en av lärarna under Learning study 1. Senare,
efter Learning study 3, uttryckte samma lärare: ”Det existerar ju faktiskt inga partiklar
om det inte finns ett tomrum mellan dem också” och en kollega tillade: ”Vi förstod inte
vikten av detta, men nu gör vi det!”. När lektionsplanen reviderades enades man om
att lyfta fram den kritiska aspekten ”tomrum” och i diskussionerna ställdes bland
annat frågan ”Vad krävs för att våra elever ska förstå att det finns ett tomrum mellan
molekylerna i lösningsmedlet?”.
Vid testerna efter lektion 2 och 3 kunde 18 elever (av 40) uttrycka sig om vad en
lösning är med kemiska termer och så många som 16 av dem gav mer komplexa svar
där partiklarna i både det som löste sig och i lösningsmedlet nämndes: ” När socker
löser sig så sprider sockermolekylerna från sockerkristallen ut sig i tomrummet mellan
vattenmolekylerna”. Det stod alltså klart att revideringen av lektionen gett resultat.
Ett sammanfattande resultat på testfrågan ”Förklara så detaljerat du kan vad en lösning är” redovisas i tabell 2 nedan.
Tabell 2. Resultatet av testfrågan ”Förklara så detaljerat du kan vad en lösning är” i Learning study 3.
Vad kan då förklara skillnaderna mellan elevernas lärande i lektion 1 och lektion 2 och
3? Analysen av de videofilmade lektionerna visade på skillnader i hur lärandeobjektet
behandlades. Det noterades att partiklarna i lösningsmedlen knappast berördes un‑
der lektion 1 och att den lärare som genomförde lektionen fokuserat den makrosko‑
piska nivån. Den nivån, till exempel vilka ämnen som löser sig i vilka lösningsmedel,
framträdde dock tydligt. Nedan visas ett utdrag från lektion 1 som illustrerar hur
lärare A fokuserar på den makroskopiska nivån:
Läraren (demonstrerar): Nu har jag blandat socker och vatten…har det löst sig?
Elev 1: Det har löst sig!
31
32
forskning om undervisning och lärande nr 15
Vikström
Läraren: Jo, ni ser det, det finns inget socker kvar på botten av bägaren, jag ställer den till
vänster här på katedern.
…..
Läraren (demonstrerar): Hur går det med matolja och vatten?
Elev 2: Oljan stannar kvar på ytan
Läraren: Precis, det löser sig inte. Det går inte att lösa olja i vatten, de är för olika. Den här
bägaren placerar jag på höger sida.
…..
Läraren (demonstrerar): Om vi blandar salt och olja då?
Elev 3: Saltet sjunker till botten
Läraren: Salt kan inte lösa sig i olja, jag ställer den höger också
…..
Läraren (demonstrerar): Nu kan vi prova olja och bensin, vad händer?
Elev 4: Det löser sig
Läraren: Ja, det gör det, dom är lika, lika löser lika. Den ska stå till vänster.
Efter att ha analyserat lektionen blev det tydligt att den sub-mikroskopiska nivån inte
lyftes fram tillräckligt. Lärare A fokuserade den makroskopiska nivån i dialogen med
eleverna och lyfte inte alls fram partiklarna i lösningsmedlet. Nedan visas ett utdrag
från diskussionen under det efterföljande gruppmötet då lektionen reviderades:
Peter: När vi har dom där grupperna av bägare med ämnen som inte har löst sig så kan vi tala
om mikronivån, vad som har hänt med partiklarna.
Gunilla: Å samma sak med bägarna där det har löst sig, vad är skillnaden på mikronivån?
Anna: Å vi kan lyfta fram ”lika löser lika” tidigare också.
Kerstin: Å att lösningsmedlet vatten består av partiklar också, som också är utspridda, precis
som partiklarna i det som löst sig.
Monica: Vi måste trycka på ”vattenmolekylerna” inte bara tala om ”vatten”.
Kerstin: Jo, det kan vara en god idé att tala tidigare om det där abstrakta. Vi vill ju att dom ska
se skillnaderna och likheterna på mikronivån och relatera detta till de konkreta experimenten.
Vad har hänt med partiklarna när det löst sig? Å vad har hänt när det inte löst sig?
Diskussioner som denna ledde fram till revideringen av lektion 2 och 3. Nedan visas
ett utdrag från lektion 3 när samma experiment demonstrerades av lärare C i en ny
elevgrupp:
Läraren: Jag blandar socker och vatten…
Elev 1: Sockret stannar på botten.
Läraren: Gör det? Kom å titta närmare!
(Eleven reser sig och går fram till katedern)
Elev 1: Sockret är borta
Läraren: Är det borta? Vad har hänt?
Elev 2: Samma som med saltet nyss
forskning om undervisning och lärande nr 15
Vikström
Läraren: Vad menar du när du säjer ”samma sak”?
Elev 2: Sockermolekylerna har spritt ut sig mellan vattenmolekylerna
…..
Läraren: Hur är det med vatten och olja?
Elev 3: Det blir ett lager på ytan
Läraren: Ja, oljemolekylerna stannar där
…..
Läraren: Om jag blandar vatten och alkohol då?
Elev 4: Det löser sig
Läraren: Var är molekylerna?
Elev 4: Alkoholmolekylerna är i tomrummet mellan vattenmolekylerna
Utdraget visar ett exempel på hur även små skillnader i dialogen med eleverna, kan
skapa skillnader i variationsmönster som påverkar elevernas lärande. Lärare C gjorde
det möjligt för eleverna att urskilja tomrummet mellan partiklarna och sambandet
mellan den makroskopiska och sub-mikroskopiska nivån genom att i interaktionen
med eleverna behandla dessa nivåer samtidigt. Bland eleverna i denna sista elevgrupp
var det ingen som besvarade förtestuppgiften genom att beskriva en lösning på mo‑
lekylär nivå, i eftertestet gjorde 50% av dem detta och flertalet av dessa uttryckte sig
dessutom om partiklarna i både lösningsmedlet och i det ämne som löste sig. Genom
att peka ut tomrummet mellan partiklarna och genom att i dialogen med eleverna
behandla observationerna som gjordes vid experimenten och förklaringarna på par‑
tikelnivån simultant blev det möjligt för eleverna att beskriva lösningsprocessen på
ett nytt och mer naturvetenskapligt, sätt (Vikström m.fl., 2013).
Skillnaden mellan en vardaglig och en naturvetenskaplig beskrivning av ett
fenomen
Att elever kan ha svårigheter att uttrycka sig med naturvetenskapliga termer och
begrepp var väl känt för lärarna sedan tidigare, inte minst genom att detta är något
som uppmärksammas i kursplanernas kunskapskrav. Även här kunde variationsteo‑
rin fungera som guidande princip; för att förstå hur en uppgift kan besvaras med
kemins termer och begrepp kan det vara till hjälp att inse hur ett svar där dessa
termer och begrepp inte används kan se ut. I gruppmötet som föregick lektion 3 dis‑
kuterades därför vikten av att peka ut skillnaderna mellan det vardagliga och det
naturvetenskapliga språket och denna aspekt kan ses som en bidragande orsak till
det förbättrade resultatet på uppgiften ”Förklara så detaljerat du kan vad en lösning
är” i elevtestet efter lektion 3 (tabell 2). Läraren i lektion 3 gav sina elever exempel på
hur ett och samma fenomen, till exempel när salt löser sig i vatten, kan beskrivas på
olika sätt: på en makroskopisk, vardaglig nivå och på en sub-mikroskopisk nivå med
kemins termer och begrepp. Genom att kontrastera dessa två sätt att beskriva ett fe‑
nomen mot varandra blev den kvalitativa skillnaden mellan dem möjlig att uppfatta
för eleverna (Vikström m.fl., 2013).
33
34
forskning om undervisning och lärande nr 15
Vikström
Slutsatser och diskussion
Lärares traditionella naturvetenskapliga undervisning bygger, i syfte att uppnå en
generell förståelse för ett begrepp, ofta på att ge elever många exempel på samma
sak för att visa på likheter. Variationsteorin bidrar med insikten om att det kan vara
viktigare att visa på skillnader, något som alltså kräver att vissa begrepp behandlas
samtidigt. Denna studies analyser av relationen mellan undervisningen och dess re‑
sultat, visade att vissa sätt att behandla ämnesinnehållet gjorde skillnad för elever‑
nas lärande. Lärare har alltid varierat sin undervisning på olika sätt och med olika
utgångspunkter, det är i sig inget nytt. Det variationsteorin kan bidra med är att den
kan hjälpa lärare att använda variation på ett medvetet sätt, såväl med avseende på
elevers varierande förståelse av ett lärandeobjekt som med avseende på hur variation
kan lyfta fram kritiska aspekter. Ett ämnesinnehåll har många aspekter, men alla
aspekter är inte lika kritiska för ett visst lärandeobjekt och en viss elevgrupp (Marton
&Tsui, 2004). Genom att kontrastera begreppen materia och energi, genom att visa på
sambandet mellan den makroskopiska och sub-mikroskopiska nivån och genom att
fästa elevernas uppmärksamhet på tomrummet mellan partiklarna, manifesterades
variationsmönster som gynnade elevernas lärande. Efter att i början av projektet visat
på en mer naiv förståelse och användning av materiabegreppet utvecklades elevernas
förståelse av materians sub-mikroskopiska karaktär och hur den kan relateras till den
makroskopiska nivån, en progression i linje med vad Hadenfeldt m.fl. (2014) beskri‑
ver. Dessutom, genom att klargöra skillnaden mellan en beskrivning med ett vardag‑
ligt och ett naturvetenskapligt språk utvecklades elevernas förmåga att uttrycka sig
på ett mer komplext och vetenskapligt sätt. Detta visade sig i elevernas förmåga att
beskriva och förklara fenomenet lösning i Learning study 3.
Forskargruppen fann att förändringar i hur lektionerna planerades och genomför‑
des i relation till vilka aspekter som var möjliga, eller inte möjliga, för eleverna att
erfara återspeglades i resultatet av elevtesterna. Variationsteorin har fungerat som en
guidande princip och resultatet har visat att det är fruktbart att synliggöra skillnader
genom att behandla begrepp simultant och inte ett i taget. Något som inte kan påstås
däremot, är att manifesterandet av kontraster nödvändigtvis medför att alla elever
kommer att lära sig det som var avsett i någon form av orsak-verkan samband, bara
att möjligheten erbjudits dem.
Resultaten från en mängd Learning studies inom en rad olika ämnesområden har
publicerats. Generellt kan en Learning study visa vad som är nödvändigt att lyfta
fram för att en grupp elever ska förstå något på ett särskilt sätt (Lo, 2014; Marton,
2014). Kullberg (2012) och Runesson & Gustafsson (2012) hävdar att det inte är möj‑
ligt att lista kritiska aspekter och använda dem på ett statiskt vis av nya lärare i nya
sammanhang eftersom kritiska aspekter alltid måste betraktas relativt, och anpassas
till, den aktuella elevgruppen. Men Kullberg och Runesson & Gustafsson argumen‑
terar utifrån sina resultat också för att kritiska aspekter som identifierats i Learning
studies kan användas som resurser i nya situationer eftersom lärare visat sig kunna
anpassa dem till en helt ny kontext. Kunskapsprodukterna från en Learning study
är med andra ord vare sig helt generella eller helt unika (Kullberg, 2012; Runesson &
forskning om undervisning och lärande nr 15
Vikström
Gustafsson, 2012). Det unika med denna praxisnära studie är att den fokuserar utfors‑
kandet av kritiska aspekter hos ett specifikt naturvetenskapligt begrepp, materiabe‑
greppet, i tre olika Learning studies inom tre olika ämnesområden. Resultatet kan
ses som ett exempel på undervisningsforskning, ’science of teaching’ (Elliot, 2012),
som behövs som komplement till annan ämnesdidaktisk forskning. Genom att an‑
vända klassrummet som laboratorium kan ämnesdidaktiska kunskaper tillsammans
med variationsteoretiska principer utveckla nödvändiga kunskaper som överbryggar
gapet mellan forskning och praktik Resultatet pekar på vad som kan vara viktigt
att lyfta med avseende på materiabegreppet i naturvetenskaplig undervisning och
visar också exempel på hur det kan göras. Dessa kritiska aspekter skulle kunna vara
användbara för andra lärare och inom många naturvetenskapliga kunskapsområden
eftersom de har en så generell karaktär. För att visa detta krävs dock att resultaten
prövas av andra och i nya sammanhang.
Ämnesdidaktisk forskning har, främst genom intervjustudier, skapat en omfattan‑
de mängd värdefull kunskap om elevers förståelse av begreppet materia (Tsaparlis &
Sevian, 2013; Hadenfeldt m.fl., 2014). Longitudinella studier, som till exempel Löfgren
& Helldén (2009), har bidragit med en bild av hur elevers förståelse kan utvecklas
över tid. I undervisningspraktiken är det betydelsefullt att lärare kan finna vägar att
integrera och anpassa dessa forskningsresultat på ett sådant sätt att elevers lärande
möjliggörs. Även om forskning visat att elever kan ha svårt att inse var materia finns
och inte finns, eller att de inte uppfattar tomrummet mellan partiklar, så var det i
Learning study projektet upptäckter gjordes om hur olika sätt att behandla lärande‑
objektet gjorde skillnad för elevernas förståelse. Tillämpningen av variationsteorin
visade på värdet av att kontrastera materia och energi mot varandra och det upptäck‑
tes hur tomrummets existens kunde lyftas i interaktionen med eleverna. De frågor
som forskning måste ge svar på är inte bara frågor om vad som är svårt för elever att
förstå. Viktiga att besvara är också frågor om vilka aspekter som är nödvändiga att
synliggöra för att elever ska lära sig det läraren avser, och hur detta kan ske i under‑
visningspraktiken.
Hadenfeldt m.fl. (2014) har analyserat 124 forskningsartiklar om begreppet materia
som publicerats mellan åren 2003 och 2012. Deras granskning ledde fram till slut‑
satser om vad forskningen inom området bör beakta i framtiden. En fråga gäller den
föreslagna modellen för progression i förståelsen, en modell där eleverna utvecklar
sin förståelse från en naiv nivå till en förståelse för materians sub-mikroskopiska na‑
tur och dess relation till materians makroskopiska egenskaper. Kan en sådan modell
fungera generellt, i vilken grad är progressionen individuell och kontextberoende?
En annan fråga gäller utvecklingen av verktyg för bedömning av elevers förståelse.
Denna fråga kan betraktas ur ett variationsteoretiskt perspektiv och kopplas till kun‑
skapskraven i kemi där lärare måste bedöma elevers olika förmågor att förstå samma
sak. Vilka kritiska aspekter skiljer exempelvis betyget C från betyget A? Vilka kri‑
tiska aspekter måste elever erbjudas att urskilja för att nå det godkända betyget E?
Den tredje, och för denna studie kanske viktigaste frågan, är enligt Hadenfeldt m.fl.
(2004), forskning om hur undervisning kan utformas för att utveckla elevers förstå‑
35
36
forskning om undervisning och lärande nr 15
Vikström
else för begreppet materia.
Det som forskning behöver tillföra är kunskap om vilka undervisningshandlingar
som kan utveckla elevers lärande av begreppet materia, och i ett variations¬teoretiskt
perspektiv innebär detta att finna de variationsmönster som möjliggör för elever att
urskilja begreppets kritiska aspekter. Svaren på den typen av frågor måste eftersökas
i praxisnära studier där själva relationen mellan den iscensatta undervisningen och
elevernas lärande studeras. Learning study modellen kan erbjuda nya perspektiv och
möjligheter och därmed utgöra ett värdefullt komplement till annan ämnesdidaktisk
forskning.
En generell slutsats (och förslag) är att Learning studies och variationsteori kan
vara ett användbart verktyg för att överbrygga klyftan mellan forskningen och yrkes‑
praktiken, ”the theory and practice gap” som Nuthall (2004) adresserar. Teorin kan
vägleda lärare i deras dagliga arbete men inte enbart detta, praxisnära forskning i
form av Learning studies kan också bidra med ny ämnesdidaktisk kunskap.
Referenser
Abraham, M.R., Gryzybowski, E.B., Renner, J.W. & Marek, A.E. (1992). Understan‑
ding and misunderstanding of eight graders of five chemistry concepts found in
textbooks, Journal of Research in Science Teaching, vol. 29, nr. 2, ss. 105-120.
Andersson, B. (2008). Grundskolans naturvetenskap-forskningsresultat och nya idéer.
Lund: Studentlitteratur.
Calýk, M, Alipasa, A. & Ebenezer, J.V. (2005). A review of solution chemistry studies:
Insights into students´conceptions, Journal of Science Education of Technology,
vol. 14, nr. 1, ss. 29-50.
Elliot, J. (2012). Developing a science for teaching through lesson study, International
Journal for Lesson and Learning Studies, vol. 1, nr. 1, ss. 108-125.
Hadenfeldt, J.C., Liu, X., & Neumann, K. (2014). Framing students´ progression in
understanding matter: a review of previous research, Studies in Science Education,
vol. 50, nr. 2, ss. 181-208, DOI:10.1080/03057267.2014.9945829.
Kullberg, A. (2012). Can findings from learning studies be shared by others?, International Journal for Lesson and Learning Studies, vol. 1, nr. 3, ss. 233-244.
Lo, M.L. (2014). Variationsteori-för bättre undervisning och lärande. Lund: Studentlit‑
teratur.
Löfgren, L. & Helldén, G. (2009). A longitudinal study showing how students use a
molecule concept when explaining everyday situations, International Journal of
Science Education, vol. 31, nr. 12, ss. 1631-1655.
Marton, F. (2014). Necessary Conditions of Learning. New York: Routledge
Marton, F. & Booth, S. (1997). Om lärande. Lund: Studentlitteratur
Marton, F. & Tsui, A. (red.) (2004). Classroom discourse and the space of learning. Ma‑
hwah, New Jersey: Lawrence Erlbaum Associates
Nuthall, G. (2004). Relating classroom teaching to students learning: A critical
analysis of why research has failed to bridge the theory-practice gap, Harward
Educational Review, vol. 74, nr. 3, ss. 273-306.
forskning om undervisning och lärande nr 15
Vikström
Pang, M.F. & Marton, F. (2013). Interaction between the learners´ initial grasp of the
object of learning-a resource afforded, Instructional Science: An International
Journal of the Learning Sciences, vol. 41, nr 6, ss. 1065-1082, doi: 10.1007/s11251-0139272-7.
Runesson, U. & Gustafsson, G. (2012). Sharing and developing knowledge products
from Learning Study, International Journal for Lesson and Learning Study, vol. 1,
nr 3, ss. 245-260.
Skolverket (2004). Nationella utvärderingen av grundskolan 2003. Sammanfattande
huvudrapport. Rapport 250:2004.
Talanquer, V. (2009). On cognitive constraints and learning progressions; The case
of “structure of matter”, International Journal of Science Education, vol. 31, nr. 15,
ss. 2123-2136.
Tsaparlis, G. & Sevian, H. (2013). Introduction: Concepts of Matter – Complex to
Teach and Difficult to Learn, Innovations in Science Education and Technology,
vol. 19, ss. 1-8.
Vikström, A. (2005). Ett frö för lärande-en variationsteoretisk studie av undervisning
och lärande i grundskolans biologi. (Diss.) Luleå: Luleå tekniska universitet.
Vikström, A. (2008). What is intended, what is realized, and what is learned? Teach‑
ing and learning biology in the primary school classroom, Journal of Science
Teacher Education, vol. 19, nr. 3, ss. 211-233.
Vikström, A. (2014). What Makes the Difference? Teachers Explore What Must be
Taught and What Must be Learned in Order to Understand the Particulate Cha‑
racter of Matter, Journal of Science Teacher Education, vol. 25, nr.6, ss. 709-727.
DOI 10-1007/s10972-014-9397-9
Vikström, A., Billström, A., Fazeli, P., Hansson, G., Holm, M., Jonsson, K. & Ryd‑
ström, P. (2013). Teachers´ Solutions? A learning study about solution chemistry
in grade 8, International Journal of Lesson and Learning Studies, vol. 2, nr. 1, ss.
26-40.
37